Az az atom, ami egyszerre két helyen van – és amit azután ledobtak

Van egy elég vad gondolat.

Képzeld el, hogy fogsz egyetlen, aprócska atomot – és megteszel vele valamit, ami miatt egyszerre két helyen létezik. Ez a kvantum-szuperpozíció, és teljesen őrültnek hangzik, amíg eszedbe nem jut, hogy az atomok ezt valójában állandóan csinálják, csak épp nem figyeljük őket.

Most dobd le.

Mi történik?

Pontosan ezt tesztelték le néhány fizikus, és őszintén? Az eredmény egyszerre volt nyilvánvaló és elképesztő.

A két nagyágyú, akik nem jönnek ki egymással

El kell magyaráznom, miért fontos ez a kísérlet, mert két óriási tudományos elméletről van szó, amelyek most épp nem működnek együtt.

Az egyik oldalon ott a kvantummechanika – ez magyarázza meg, hogyan viselkednek az atomok és a piciny részecskék. Furcsa, ellentmond a józan észnek, és borzasztó jól működik. A részecskék egyszerre több állapotban lehetnek. Képesek falakon áthaladni. Olyan módon kapcsolódhatnak, ami még Einsteinnek is kényelmetlen volt (ezt ő maga nevezte "kísérteties távoli hatásnak").

A másik oldalon ott van Einstein gravitációs elmélete – az általános relativitáselmélet. Ez magyarázza, miért esnek a dolgok, hogyan keringenek a bolygók, és miért másképp telik az idő attól függően, milyen gyorsan mozogsz vagy mennyire vagy közel egy hatalmas objektumhoz. Elegáns, már végtelen sokszor bebizonyosodott, és a kozmikus léptékű univerzumot írja le.

A probléma: ez a két elmélet utálja egymást.

Na jó, nem szó szerint utálják – ez ostobaság lenne – de a fizikusok majdnem egy évszázada próbálják összehozni őket egy egységes elméletté, és senkinek sem sikerült. Külön-külön tökéletesen működnek, de amint megpróbálod egyszerre alkalmazni őket, minden szétesik.

Olyan ez, mint két barát, akik külön-külön remekül érzik magukat, de katasztrófa lesz belőlük, ha egy szobába kerülnek.

Mit csináltak pontosan a tudósok?

A kísérletet a Science Advances című lapban publikálták. A csapatot a Ben-Gurion Egyetem, az Ulmi Egyetem és az Oxfordi Egyetem kutatói vezették – köztük a legendás Roger Penrose, aki tudományos munkásságáért Nobel-díjat kapott.

Amit építettek, az egy Kvantum Galileo Interferométer nevet kapta. Tudom, tudom – sok díszes szó. De a lényeg egyszerű:

Vettek rubídium atomfelhőket (lehűtve majdnem az abszolút nulláig), és szétválasztották minden atom kvantumhullámát két külön útra. Az egyik út a helyén maradt, mágneses mezők tartották ott. A másik út szabadon esett, mint egy labda, amit feldobtál a levegőbe.

Aztán – és itt jön a izgalmas rész – összehozták a két utat, és figyelték, hogyan interferálnak a hullámok.

Képzeld el úgy, mintha két kavicsot ejtenél egy tóba kissé eltérő időpontokban, és figyelnéd, hogyan hatnak egymásra a hullámok. A hullámok különbsége elárulja, mi történt az egyes kavicsokkal az útjuk során.

Az ekvivalenciaelv kvantumos ráncfelvarrás

Itt jön vissza Einstein a képbe.

Einstein ekvivalenciaelve az egyik alapköve a gravitációs elméletének. Az alapötlet gyönyörűen egyszerű: a gravitáció és a gyorsulás nem különböztethető meg egymástól. Ha egy zárt szobában vagy, nem tudod eldönteni, hogy azért érzed a súlyodat, mert a Földön állsz, vagy azért, mert a szobát gyorsítják az űrben. A szabadon eső ember súlytalannak érzi magát, bármilyen is legyen a tömege.

Ezt az elvet rengetegszer tesztelték normális, hétköznapi tárgyakkal, és mindig bevált.

De itt a kérdés: vajon még mindig működik, ha a "tárgy" nem is egy helyen van valójában? Ha egy kvantumhullám, ami szuperpozícióban van, és egyszerre két különböző úton halad?

Ezért olyan különleges ez a kísérlet. Nem csak egy labdát ejtettek le. Olyasmit ejtettek le, ami metafizikailag két helyen volt egyszerre, és meg akarták nézni, hogyan bánik vele a gravitáció Einstein jóslatai szerint.

És az eredmény? Igen.

A mért kvantumfázis – vagyis a leeső hullám által hagyott picurka kvantum-"lenyomat" – pontosan egyezett azzal, amit az Einstein-féle ekvivalenciaelv kvantumobjektumokra való alkalmazásával jósoltak meg.

Miért kellene ez téged érdekeljen?

Szóval néhány tudós atomi ejtést végzett egy bonyolult rendszerben, és Einstein megint bebizonyosodott. Nagy ügy, nem?

De van itt valami, ami miatt igenis nagy ügy.

Még mindig nincs olyan elméletünk, ami sikeresen egyesítené a kvantummechanikát és a gravitációt. Vannak jelöltek – húrelmélet, hurok-kvantumgravitáció – de senkinek sem sikerült megoldania a rejtvényt. Az egyik ok az, hogy nincs elég jó kísérleti adatunk arról, mi történik e két világ metszéspontján.

Ez a kísérlet az első valódi pillantásunk abba a területbe. Mintha végre sikerülne egy szobába ültetni a vitatkozó barátokat, és óvatosan figyelnénk, hogyan hatnak egymásra.

Professor Ron Folman, a kutatás vezetője gyönyörűen fogalmazott: "Ez egy egyedülálló tanulmány, amely egy nehéz kísérletet kapcsol össze egy messzemenő elméleti értelmezéssel, a fizika egyik legalapvetőbb kérdéséről."

Professor Vlatko Vedral Oxfordból pedig azt mondta: "Ez a kísérlet a kvantummechanikát az egyik legizgalmasabb határterületére, a gravitációra viszi, és megmutatja, hogy..."

A idézet sajnos el lett vágva, de gondolom tudjuk, hová tart. Azt mutatja, hogy a kvantummechanika nem omlik össze, amikor a gravitáció is közbeavatkozik. Legalábbis ebben a tartományban.

Mit jelent ez a jövőre?

Ne tévedj, nem állítom, hogy ez a kísérlet megoldott mindent. Még nagyon-nagyon messze vagyunk a mindent átfogó egységes elmélettől. De az ilyen kísérletek azok a morzsák, amelyek talán egyszer majd elvezetnek oda.

Minden alkalommal, amikor tologatjuk a határt a kvantum és a klasszikus között, a parányi és a hatalmas között, valami újat tanulunk. És eddig az univerzum azt mondja nekünk, hogy mindkét "legjobb" elméletünk több igazságot tartalmaz, mint amit néha beismerünk – még akkor is, ha egy szobába kerülnek.

Szóval legközelebb, amikor valaki azt mondja neked, hogy a fizika már mindent megoldott, emlékeztesd rá, hogy Einstein és a kvantummechanika még mindig nem jönnek ki jól egymással.

De hé – legalább most már tudjuk, hogy hajlandóak egy szobában lenni.